從微電子器件到納米電子器件第1頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心第一次產業革命(1734-1834）主導技術：蒸汽機動力變革，熱能、機械能科學基礎:牛頓力學、熱力學、能量轉化原理第2頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心第二次產業革命（1835-1914）

科學基礎：電的發現、電磁理論

主導技術：電氣化技術(發電機和電動機、電力傳輸、無線電通訊)第3頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心第三次產業革命（1945-2010？）

科學基礎：X射線的發現放射線的發現半導體的發現主導技術：微米技術微電子技術

第4頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心三次產業革命的啟示:1.每一次產業革命造就了一、二個先進國家；2.主導技術經歷了孕育期生長期、高速發展期、穩定期，主導技術周期約50-60年；3.主導技術的穩定期開始蘊釀下一個主導技術；4.主導技術帶動產業革命，先從傳統產業開始，逐漸形成新的產業群。第5頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心節省能源利用資源優化環境新工業革命第6頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心存儲密度：1061011=10萬個磁盤

讀寫速度：1GB20GB納米技術—新工業革命的主導技術20世紀第7頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心高集成、高空間分辨率，存儲密度：1000GB計算速度提高100~1000倍、功率增加1000倍，能耗降低一百萬倍，芯片尺寸降低100~1000倍納米技術21世紀納米技術是21世紀科技發展的制高點,是新工業革命的主導技術。第8頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心納米技術醫療藥物環境能源宇航交通生物農業電子器件計算機國家安全新材料制造傳統產業推動GDP快速增長

對關鍵問題的影響力第9頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心信息技術知識爆炸時代納米科技技術爆炸時代第10頁，課件共66頁，創作于2023年2月納米科學的內涵基礎納米材料制高點納米電子學納米加工納米生物基礎納米物理納米化學納米力學第11頁，課件共66頁，創作于2023年2月在納米科技中，納米電子學處于特殊重要的地位，因為納米電子學是微電子學發展的下一代。第12頁，課件共66頁，創作于2023年2月電子器件的發展與三代電子器件1897年Thomson發現電子后，在物理學上做了兩件重要的事：控制電子在真空中和固體中（固體中電子達1022/cm）的運動狀態，產生了電子器件。電子器件的發展已經歷了兩個時期，真空電子管和固體晶體管。電子器件主要用于處理光、電信號光、電信號的主要參量是振幅、頻率和相位信號加工就是按信號的內容來改變這些參量，包括信號的放大、變頻、疊加、數學運算、邏輯運算和存儲等信號加工中最基本的是放大，即用小信號控制生成對應的大信號，最關鍵的元件是放大三極管第13頁，課件共66頁，創作于2023年2月

1.真空電子管：1906年發明，它是將電子引入真空環境中，用加在珊極上的電壓改變發射電子陰極表面附近的電場，來控制達到陽極電流的大小，從而實現信號放大作用。有真空二極管和真空三極管，其尺寸在幾厘米到幾百厘米。第14頁，課件共66頁，創作于2023年2月2.晶體管：1947年誕生，電子器件發展經歷了第一次變革。晶體管基本單元為p-n（整流特性）結和p-n-p

結(信號放大），相應的有晶體二極管和晶體三極管。晶體管的體積小（由厘米降到微米），功耗小（從毫安降到微安），制成大（超大）規模集成電路，稱為微電子器件。第15頁，課件共66頁，創作于2023年2月4004808080868008Pentium486?DX386?Processor286PentiumIIPentiumIIIItanium?Goal:Over1billiontransistorsby2005Pentium4Itanium?2微電子器件發展的摩爾(moore)定律-----芯片上晶體管數量每隔18個月將會增加一倍。第16頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心Moore’sSecondLawPlantcostMaskcostgenerationX1000$第17頁，課件共66頁，創作于2023年2月微光刻與微納技術歷程和發展趨勢1968197119741977198019831986

198919921995199820012004200720102013201616K1M16M1G16G光刻工藝特征尺寸芯片集成度8.0um5.0um3.0um2.0um1.3um0.8um0.5um0.35um0.25um0.18um0.13um90nm65nm45nm32nm22nm1986年最細線寬0.5um◆1995年最細線寬0.18um2004年最細線寬22～50nm1980年最細線寬1.0um◆3〞4〞6〞12〞8〞4〞3〞8〞一臺JBX3040電子束光掩模制造系統2000萬美圓相當一架波音737建設一家45nm技術節點、12英寸集成電路制造廠30-35億美圓一套180nm工藝節點掩模版25萬美圓一套130nm工藝節點掩模版85萬美圓一套90nm工藝節點掩模版150萬美圓一套65nm工藝節點掩模版300萬美圓一套45nm工藝節點掩模版500萬美圓一套22nm工藝節點掩模版1500萬美圓第18頁，課件共66頁，創作于2023年2月

芯片中三極管的價格隨時間的降低$1000$1000$1000$1000ChipPrice8088286486奔4$第19頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心CMOS器件的若干挑戰性問題Si-MOSFET極限GateLength<10nm電子隧穿引起誤差線路電容的延遲熱積累引起性能惡化熱和量子漲落誤差

納米器件的集成和與微電子系統的聯結介質層中高電場強度，可靠性問題第20頁，課件共66頁，創作于2023年2月第21頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心按摩爾定律，以硅材料為主的微電子到2011年的最小尺寸，將達到物理極限，進入納電子器件時期，面臨電子器件發展的第二次變革。20202020年NANOELECTRONICS

atthecentreofchange第22頁，課件共66頁，創作于2023年2月Prophecies,ARiskyEndeavorIthinkthereisaworldmarketformaybefivecomputers. ---T.J.Watson640Koughttobeenoughforeverybody. ---BillGatesThereisnoreasonanyonewouldwantacomputerintheirhome. ---KenOlsonThereisnottheslightestindicationthatnuclearenergywilleverbeobtainable. ---AlbertEinstein第23頁，課件共66頁，創作于2023年2月納米電子學，又叫納電子學(nanoelectronics)研究對象是納米尺度信號處理時間是納秒信號功率是納焦納米尺寸、納秒時間和納焦能量現象超出了現有科學體系,構成了嚴重挑戰第24頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心納電子器件第25頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心真空電子器件和微電子器件的共同點都是強調電子的粒子性，即都是通過控制數以千計的成群電子的集體運動狀態的，來實現特定的功能。當電路的集成度達到1012bit/cm2

時，每個元件的尺寸小于10nm，會受到兩個主要限制：量子效應和波動性第26頁，課件共66頁，創作于2023年2月電子的自由程與物理長度相比擬。當電子作為信號在器件中傳輸時，不僅具有振幅信息，還保留相位信息電子自由程與器件的物理長度相比擬電子

s

d

g01電子開關一次只要幾個電子功耗：若功耗小于3W/in2，每開關一次的電子數必須少于10個，逼近了單電子行為，具有更顯著的量子效應第27頁，課件共66頁，創作于2023年2月

疊加性

(superposition)

相干性

(interference)

牽連性

(entanglement)：一個系統的某個定義態與它的部分態的牽扯

不確定性

(uncertainty):即使沒有干擾，也不能準確知道一個量子態是否被占據納電子器件的元件尺寸的與物理長度相比擬，失去了統計平均性，以量子效應和統計漲落為主要特性，與信息加工有關的量子系統主要有以下幾個基本特性：納電子器件的主要特征第28頁，課件共66頁，創作于2023年2月納電子器件中的四個基本現象電導量子化：即電導或電阻是量子化的，不再遵循歐姆定律VG電導量子化庫侖堵塞現象：導體中納米隙小于電子自由程時，會發生電子隧穿，而隧穿前后隙兩側的電位發生變化。

U

I庫侖堵塞第29頁，課件共66頁，創作于2023年2月普適電導漲落：在電導與電壓關系測量中，發現存在與時間無關的非周期漲落，但它不是熱噪聲引起的，而是樣品固有的，每一特定的用品有自身特有的漲落圖。量子相干效應（quantum

interferenceeffect）：由于在納米尺寸中，載流子不僅具有振幅信息，而且還保持信號相位，所以具有相干性。如A-B效應，即彈性散射不破壞電子相干性；量子霍爾效應；海森堡不確定效應等。第30頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心材料工藝理論微電子器件高純硅、鍺、砷化鎵光刻、摻雜、外延技術半導體物理納電子器件無機/有機復合材料？分子尺度上的自組裝和剪裁技術納米電子學微電子和納米電子器件的比較第31頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心pnpecbmsgdnm微電子和納電子三級管的結構示意圖和符號第32頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心未來的三種計算機1946年摩爾電子工程學院制造的第一臺計算機第33頁，課件共66頁，創作于2023年2月1947年美國制造的實用計算機：30t,174kW，170m2第34頁，課件共66頁，創作于2023年2月FirstPersonalComputer天津理工大學納米材料與技術研究中心第35頁，課件共66頁，創作于2023年2月計算機小型化第36頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心Brain:Bottom-up(self-assemblybased)1.3kg10W>100teraflopsNECSupercomputer:Top-downtechnologyTons>500kW40teraflops第37頁，課件共66頁，創作于2023年2月1.量子計算機經典計算機：二進制位存儲：非0即1<－>開或關經典輸入信號串行處理經典輸出信號量子計算機：實現量子計算的裝置，它是建立在量子力學的原理上工作的。利用量子位（qubits）存儲信息,用量子態表示0和1（自旋向上或向下）。量子存儲器可以不同的概率同時存儲0或1，量子位可以是0和1的疊加。量子疊加態輸入信息并行運算量子疊加態輸出信息第38頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心量子計算機的優點:(1)計算速度快：計算速度可提高10億倍,1個400位長的數分解成質數乘積,采用巨型機需10億年,用量子計算機只要一年；(2)量子位儲存能力大大提高；(3)可完成一些傳統計算機無法完成的計算。高效率模擬、模擬量子系統，40個自旋1/2粒子體系；(4)低能耗：量子計算機計算是么正變換，是可逆的。

第39頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心量子計算機存在的問題受環境影響大，糾錯復雜

消相干效應：量子信號與外部環境發生相互作用，導致量子相關性的衰減，使相干性很難維持。克服消相干效應是量子計算機要克服的主要困難。消相干還會導致運算結果出錯，如何進行量子糾錯是量子計算機要克服的另一困難。第40頁，課件共66頁，創作于2023年2月2.DNA生物計算機：DNA分子上包含大量的遺傳密碼，它能通過生化反應來傳遞信息，這些密碼可以被看成是數據。DNA計算機是通過控制DNA分子之間的生化反應來完成計算，反應前的基因代碼可作為輸入數據，反應后的基因代碼可作為運算結果，反應在瞬間完成，也意味著計算可以在瞬間完成。第41頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心3.光子計算機：傳統的計算機是利用電流來進行計算，而光子計算機是用光束來進行計算和存儲，不同波長的光就代表不同的數據。其優點是信息處理速度快，光子不需要在導線中傳播，只要不滿足干涉條件，即使光線相交，也不會相互影響，因此能夠大大縮小信息通道的空間。第42頁，課件共66頁，創作于2023年2月迎接碳時代名稱時期/年石器時代30000銅器時代3200鐵器時代1700硅時代40碳時代？作為微電子的下一代，納電子器件有自己的理論、技術和材料。微電子的主要材料是硅，下一代電子器件的材料是什么？碳可能是21世紀的時代材料。第43頁，課件共66頁，創作于2023年2月第44頁，課件共66頁，創作于2023年2月C腳手架C60晶體管第45頁，課件共66頁，創作于2023年2月納米變阻箱第46頁，課件共66頁，創作于2023年2月石墨烯石墨烯是2004年由曼徹斯特大學的科斯提亞?諾沃謝夫和安德烈?蓋姆小組首先發現的。它是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結構。它的厚度只有0.335nm，把20萬片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發絲厚。石墨烯具有原子級的厚度、優異的電學性能、出色的化學穩定性和熱力學穩定性：●石墨烯是世界上已知的最為牢固的材料，若用石墨烯制成包裝袋，它將能承受大約兩噸重的物品。●石墨烯還是目前已知的導電性能最出色的材料（電子通過率幾乎達到100%），極有可能取代硅而成為未來的半導體材料第47頁，課件共66頁，創作于2023年2月第48頁，課件共66頁，創作于2023年2月天津理工大學納米材料與技術研究中心WhatmakesCNT’sgood?EasilywithstandhighcurrentdensitiesofbillionA/cm2MadetobeconductorsorsemiconductorsCircumferenceisinverselyproportionaltothebandgapNocleanroomrequiredtomakethemNanoscalediameterStrength第49頁，課件共66頁，創作于2023年2月HowtomakemetallicandsemiconductingCNTsSaturationpointafterabout1.5or1.6degrees/section第50頁，課件共66頁，創作于2023年2月第51頁，課件共66頁，創作于2023年2月（4，0）碳管垂直生長在（11，11）碳管上組成的納電子三極管f=0.33nmf=1nm門電極源極漏極第52頁，課件共66頁，創作于2023年2月

2001年7月6日出版的美國《科學》周刊報道，荷蘭研究人員制造出的這種晶體管是首個能在室溫下有效工作的單電子納米碳管晶體管。他們使用一個單獨的納米碳管為原材料，利用原子作用力顯微鏡的尖端在碳管里制造帶扣狀的銳利彎曲，這些帶扣的作用如同屏障，它只允許單獨的電子在一定電壓下通過。

用此方法制造的納米碳管單電子晶體管只有1納米寬、20納米長，整體不足人的頭發絲直徑的500分一。

納米碳管晶體管——只需一個電子就可實現開關狀態

第53頁，課件共66頁，創作于2023年2月NanotransistorsfromCNTs第54頁，課件共66頁，創作于2023年2月●納米碳管的細尖極易發射電子，用于做電子槍和顯示器單個碳納米管的場發射天津理工大學納米材料與技術研究中心第55頁，課件共66頁，創作于2023年2月碳納米管FET顯示Field-effecttransistorbasedonasingle1.6nmdiametercarbonnanotube天津理工大學納米材料與技術研究中心第56頁，課件共66頁，創作于2023年2月CarbonNanotube第57頁，課件共66頁，創作于2023年2月Emission

Emittersgenerateelectronswhenasmallvoltageisappliedtobothrow(baselayer)andcolumn(toplayer).

第58頁，課件共66頁，創作于2023年2月用納米碳管制成的的場發射顯示面板Adisplaypanelonly

2.4nm

thick第59頁，課件共66頁，創作于2023年2月第60頁，課件共66頁，創作于2023年2月第61頁，課件共66頁，創作于2023年2月單根納米線電驅動激光器(Single-nanowireElectricallyDrivenLasers)Whenthecurre